历史悠久的啤酒
啤酒很可能是世界上最古老的酒精饮料。最近，在以色列海法附近的一个洞穴中，研究人员在一个石臼中发现了大约年前的小麦和大麦啤酒存在的证据。作为世界上最畅销的酒精饮料之一，年全球啤酒产量约为亿升，市场价值亿美元，预计到年将达到亿美元。啤酒为啥会冒泡啤酒是由水、麦芽、酵母和啤酒花经过一定时间的发酵形成的一种低酒精含量饮品。在所有类型的啤酒中，窖藏啤酒（也叫拉格啤酒，源自德文“储存”）最受欢迎。这是一种冷发酵啤酒，在此期间麦芽中的糖转化成了酒精和CO2，而且在灌装过程中也会充入CO2，这些气体对于啤酒口感非常重要。这也就是为什么开啤酒的时候会发出嘶嘶声，倒啤酒的时候会产生白色泡沫的原因。一杯香槟中有万个气泡好奇心对于科学研究来说非常重要，GerardLiger-Belair就是这样一位充满探索精神的科学家。从年开始，他就长期致力于探索香槟中到底有多少个气泡这个科学问题，相关研究发表在了Chem.Soc.Rev.、Eur.Phys.J.:Spec.Top.、J.Phys.Chem.B以及J.Agric.FoodChem.等期刊上，认为气泡数量与CO2溶解浓度、酒温、杯子形状、酒的体积以及大气压有关，一般来说mL香槟中约有万个气泡。成果介绍在前人研究的基础上，法国兰斯大学GérardLiger-Belair团队对一杯啤酒中有多少气泡这个问题展开了研究，从实验和理论两方面研究了溶解和气相CO2的热力学平衡，认为气泡数量与啤酒中溶解的CO2、成核气泡数量、临界半径、临界浓度等有关。基于气泡上升动力学，推导出了啤酒倒入玻璃杯后异质成核所需的临界CO2半径和临界浓度，并与前人的研究工作进行了对比。发现酒精体积百分比为5%、溶解的CO2浓度为5.5g·L-1的啤酒，在6℃下mL中的气泡个数约为20~万个。这一研究解释了长久以来困扰广大饮酒爱好者的心头疑惑。第一步：CO2在啤酒中溶解度的温度依赖性为了研究一杯啤酒中到底有多少个气泡，研究者首先探讨了气相CO2在液相中的溶解度，这可以用亨利定律来计算。他们发现关于CO2在纯水中溶解度的数据很多，但很少有关于在啤酒中溶解度的数据，最接近的是在20世纪60年代，有人研究了20℃下CO2在水-醇-糖溶液中的溶解度。他们认为在酒精含量低于10%时，气相CO2的亨利常数在纯水和水-乙醇混合溶液中没有差异，均为2.4g·L-1·bar-1。第二步：未开封酒瓶中的热力学平衡图2.密封酒瓶中的气液平衡。在酒瓶未开启之前，上方的气体与下方啤酒达到热力学平衡，气相和液相中CO2的量为一个常数，瓶盖下方的气体可以用理想气体状态方程来描述。因为瓶盖下方的气体很少，多数CO2都溶解在液相中，所以酒瓶中CO2总量接近液相中的数量。图3.密封酒瓶中气相CO2的压力。研究者计算了在0~20℃下，mL酒瓶中气相CO2的压力，并与mL香槟酒的结果进行了对比，发现香槟内气相CO2的压力是啤酒中的两倍。第三步：CO2气泡成核所需的临界半径图3.啤酒和香槟中临界成核半径的温度依赖性。一旦开启酒瓶，气液平衡被打破，溶解的CO2就释放出来，空气中CO2分压只有0.4mbar，这样算下来液相中浓度最多1mg·L-1，也就是说几乎所有的CO2都会析出。他们计算了非均相异质成核所需的临界半径为0.7微米，是香槟的两倍（0.3微米），主要是由于香槟中溶解的CO2浓度高所致。图4.CO2异质气泡成核微观照片。研究者还通过显微镜和高速摄像对成核进行了观察，发现大多数气泡成核点位于玻璃杯壁上的微小气泡内，这里面气体的曲率半径要高于异质气泡成核所需的临界半径。第四步：起泡所需的溶解CO2临界浓度图5.玻璃杯中气泡成核所需的溶解CO2临界浓度。研究者发现啤酒倒入玻璃杯中后，溶解的CO2浓度随时间不断降低，成核临界半径不断增加，当啤酒中溶解的CO2的浓度达到临界值时，由于缺乏足够的CO2，起泡过程只能结束。而且，啤酒温度越低，产生气泡所需的溶解CO2的临界浓度就越高。第五步：气泡上升动力学图6.气泡上升过程中直径的变化。（a）啤酒；（b）香槟Shafer和Zare在20世纪90年代初进行了啤酒中气泡上升动力学的开创性研究工作，发现随着气泡向液体表面上升，直径随时间线性增加，随后又有人推导了一个关系式。研究人员发现当啤酒和香槟中溶解CO2的初始浓度分别5.2和8g·L-1时，香槟气泡的体积是啤酒的2.5倍。最后一步：一杯啤酒中有多少个气泡图7.在6℃下mL啤酒中CO2气泡理论数量。研究者认为一杯啤酒中到底有多少气泡，取决于溶解CO2初始浓度、临界浓度和气泡到达气液界面时的体积，可以用下式来计算：在6℃下mL啤酒中，当啤酒高度8.9厘米，溶解CO2的浓度为5.2g·L-1时，气泡总数随着成核气泡曲率半径的增加而增长，并与10℃下mL香槟中的气泡总数进行了对比，发现当超过一个极限半径时，啤酒中的气泡数量大于香槟。经过计算，研究者认为当慢慢往倾斜玻璃杯中倒啤酒时，形成的气泡数量约为20~万个。小结为了阐明一杯啤酒中到底有多少个气泡这个科学问题，研究者从CO2在啤酒中的溶解度计算开始，通过研究密封酒瓶中的气液平衡、酒瓶开启后气泡成核临界半径、溶解CO2的临界浓度，基于气泡上升动力学，最终推导出了啤酒中CO2气泡数量的理论公式。认为在6℃下，mL啤酒高度为8.9厘米、溶解CO2的浓度为5.2g·L-1时，形成的气泡数量为20~万个。原文链接：
